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科学家发现一种效率在15%以上的高性能钙钛矿型太阳能电池

日期:2021-07-28    来源:材料科学与工程

国际太阳能光伏网

2021
07/28
11:15
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关键词: 钙钛矿型太阳能电池 太阳能电池功率转换效率 光电器件

溶液处理的氧化锡电子传输层在各种光电器件中表现出优异的性能。制备SnOx薄膜最常用的前驱体溶液是溶于乙醇中的SnCl2。为了阐明不同退火温度下前驱体转化的机理和SnOx电子传输层的光电性能,来自德国海德堡大学的研究人员利用红外光谱、光电子能谱以及原子力显微镜对其物理化学性质进行了研究,分析了两种不同溶剂对SnOx薄膜形貌的影响。在这两种情况下,提高退火温度不仅改善了溶液处理SnOx的结构和化学性质,而且降低了SnOx薄膜中锡的浓度。最后介绍了一种功率转换效率稳定在15%以上的高性能钙钛矿型太阳能电池。相关论文以题目为“Analytical Study of Solution-Processed Tin Oxide as Electron Transport Layer in Printed Perovskite Solar Cells”发表在Advanced Materials Technologies期刊上。

钙钛矿型太阳能电池(PSC)的功率转换效率(PCE)在不到十年的时间内从3.8%迅速提高到25.2%,这在很大程度上归因于适当的电子传输层(ETL)的影响。由于可见区的高透明性,大的带隙,低的价带和导带,和高的载流子迁移率氧化锡是一种很好的ETLs材料。因此,它被广泛应用于各种技术应用,如光电器件或传感器。

此外,由于SnOx钙钛矿异质结具有良好的界面性质,SnOx在钙钛矿型太阳能电池(PSCs)中具有高效ETL的潜力。SnOx可以从溶液中处理,这允许通过印刷技术沉积,并带来了诸如低生产成本、柔性基板的可用性和易于扩展、可扩展的附加制造工艺等优点。喷墨打印是一种快速、可扩展、材料效率高的沉积方法,是制造太阳能电池的一种很有前途的打印技术,对于SnOx薄膜的喷墨打印,存在两种可能的途径。一方面,它可以从前体溶液中加工,另一方面也可以从基于纳米颗粒的分散体中加工。由于前者不易结块,因此有利于喷墨打印。

本文重点分析了一种流行的SnOx前驱体材料SnCl2·2H2O。虽然用溶液处理的SnOx作为ETL已经证明有了实质性的改进,但是在大规模生产的道路上仍然有许多挑战,包括寿命的提高、PCE的进一步增加和SnOx基太阳能电池更好的可重复生产性。为了实现这些目标并使可能的改进变得易懂,有必要更好地理解溶液处理SnOx的特性。除前驱体浓度外,溶剂的选择和退火温度也是影响SnOx形貌和光电性能的重要因素。尽管有一些提示,但缺乏对这些影响的系统和全面的研究。在这里,作者系统地研究了SnOx的结构、化学和光电性质,以及对PSCs器件性能的影响。(文:爱新觉罗星)

图1.用原子力显微镜测量溶液处理的SnOx薄膜的表面形貌。样品由不同的溶剂体系制备:a–d)甲氧基乙醇和e–h)乙醇。薄膜在130℃、200℃、250℃和400℃的不同温度下退火。原子力显微镜的测量是在环境条件下进行的。(a–d)和(h)的扫描面积为500 nm×500 nm。为了更好地概述,(e–g)的扫描区域是10?m×10?m。

图2.傅里叶红外光谱。

图3.不同温度退火样品的溶液处理SnOx的a)Cl2P区、b)O1s区和c)Sn 3d 5/2区的XPS光谱。d)(A-c)中光谱的定量分析。e) Sn 3d 5/2峰位(黑色)和VBM(蓝色)均与氯量成正比。

图4.a)制备的钙钛矿太阳能电池(PSC)结构玻璃/ITO/SnO x/TCP/spiro-OMAD/gold的示意图。b)概述了几种PSCs溶液处理sSnO x(IJP)和SnO x np(自旋涂层)作为参考。c)IJP前驱氧化锡(第4批)的最好器件的电流电压特性。D最好器件的稳定PCE(SPCE)。


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